（地图学与地理信息系统专业论文）地籍空间要素自动重构.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 地籍更新是现代地籍的生命所在，是地籍管理可持续发展的客观要求。由于 宗地拓扑关系的影响，目前地籍数据库的人工交互更新操作方式存在编辑时间 长、劳动强度大、而且容易产生错误难以保证空间数据一致性等问题。鉴于此， 本文研究了地籍空间要素自动重构的理论和方法，包括拓扑关系判断、拓扑构建 ( 界址线打断和宗地生成) 、地籍空间要素自动重构、地籍要素变化类型判断。 即实现地籍变更的自动化或半自动化。主要研究工作包括： 1 ) 针对目前拓扑关系的研究工作主要集中在概念描述方面，现有文献中很 少涉及到具体判断算法，本文发展了一套矢量数据模型中拓扑关系判断算法，实 现了o r a c l e 中定义的1 1 种基本拓扑关系的判断。 2 ) 分析地籍拓扑构建的特点，发展设计了若干关键算法，包括：界址线打 断构建( 线间相交打断、去除重复线和连接伪结点) 和合并、分割、相减等操作。 3 ) 分析了地籍结构变化中的要素重构问题，基于拓扑关系判断、拓扑构建 和基本图形操作，针对宗地添加、宗地删除、分割、合并、结点移动和复合分并， 分别设计相应的自动重构算法。 4 ) 最后以v i s u a lc + + 为开发工具，运用面向对象的方法，从底层开发了一 个地籍空间要素自动重构实验系统，实现了图形显示、拓扑关系判断、拓扑构建、 地籍要素重构操作、实体变化类型判断及自动更新操作，并以实际及模拟空间数 据为例，对本文提出的方法进行了实验，有力地验证了地籍空间要素自动重构的 合理性与可行性。 关键词：地籍，地籍空间要素，拓扑关系，重构，线线打断 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c a d a s t r a lu p d a t i n gm e a n st h a tt h ec o r ed a t a b a s ei su p d a t e dw h e na n yg e o m e t r i c o rs e m a n t i cc h a n g e so c c u r ，a n dt h a tt h ec h a n g e sa r er e c o r d e d ，t h eu p d a t i n gp r o c e s s c a nb et r a c k e d ，t h eu p d a t e sa r ep r o v i d e ds u c c e s s i v e l yt ou s e r s d u r i n gs u c hap r o c e s s ， as e to fe d i t i n go p e r a t i o n si sn e e d e dt oa d d ，d e l e t eo ra m e n dc a d a s t r a ls p a t i a lo b j e c t s ， t os o l v es p a t i a la n dt e m p o r a lc o n f l i c t sp r o b l e m s ，m a i n t a i ns p a t i a la n dt e m p o r a l c o n s i m e n c yo ft h er e c o r d s s of a r , t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rr e s e a s c ho nt h et h e o r ya n d m e t h o d so fa u t o r e b u i l d i n ge l e m e n to fc a d a s t r a ls p a c e ，b a s i n go nj u d g i n gt h e t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i po fc a d a s t r a ls p a c ee l e m e n t ，t o p o l o g i c a lr e b u i l d i n g ，j u d g i n g t ) r p e o fu p d a t i n go fc a d a s t r a l ，a n dt y p eo fs t r u c t u r ec h a n g e d o u rs t u d ya i m st o a u t o m a t eo rs e m i a u t o m a t et h ei n c r e m e n t a lu p d a t i n gp r o c e s so fu p d a t i n go fc a d a s t r a l 。 t h em a i nw o r k sf i n i s h e da r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) a tp r e s e n t ，t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i pr e s e a r c hm a i n l yw o r k i n gi nt h ec o n c e p t ， s e l d o md e a l 、i t ht h ec o n c r e t ej u d g e m e n ta l g o r i t h mi nn o wa v a i l a b l ed o c u m e n t ，a n n e wa l g o r i t h mo fj u d g i n gt h et o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i po fas e to fv e c t o rd a t am o d e l d e v e l o p e di nt h i sp a p e r , h a sr e a l i z e d1 1k i n d so ff u n d a m e n t a lt o p o l o g yj u d g e m e n to f d e f i n i t i o nc o n c e m si no r a c l e 2 ) b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft o p o l o g i c a lr e b u i l d i n go fc a d a s t r a l ，t h es o m e k e ya l g o r i t h mh a v i n gd e s i g n e d ，i n c l u d e s ：t h eb r e a k i n go fl i n e s ( i n t e r s e c t i n g - l i n e s b e i n gb r o k e n ，d i s l o d g e st or e p e a t l i n e sa n dl i n k i n gf a k en o d e s ) a n dg r a p h i c s o p e r a t i o n so fm e r g e r 、b r e a k i n gu p 、c u t t i n ga n ds oo n 3 ) b ya n a l y z i n gt h ep r o b l e mo fe l e m e n tr e b u i l d i n gi nc a d a s t r a ls t r u c t u r ec h a n g e ， b a s i n go nju d g i n gt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p ，t o p o l o g i c a lr e b u i l d i n ga n df u n d a m e n t a l g r a p h i c so p e r a t i o n s ，s p e c i f i c a l l yf o rp a r c e la d d i n g 、p a r c e ld e l e t i n g 、d i v i s i o n 、m e r g e r 、 n o d ed i s p l a c e m e n t 、a n dc o m p o u n dd i v i s i o n - m e r g e ro fp a r c e l ，a l o n gd e s i g n i n gt h e a l g o r i t h mo fa u t o - r e b u i l d i n ge l e m e n to fc a d a s t r a ls p a c e 4 ) f i n a l l y ，a l lp r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gv c + + a n du s i n go b j e c t o r i e n t e dm e t h o db a s i n go nf i r s td e v e l o p i n g ，r e a l i z i n gg r a p h i c sg r a p h i c s 、j u d g i n g t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p 、t o p o l o g i c a lr e b u i l d i n g 、r e b u i l d i n gc a d a s t r a ls p a c ee l e m e n t 、 j u d g i n gt y p eo fu p d a t i n go fc a d a s t r a la n do p e r a t i o n so fa u t o u p d a t i n g ，t oe x a m i n et h e r a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo fa u t o r e b u i l d i n ge l e m e n to fc a d a s t r a ls p a c e 。 h 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：c a d a s t r a l ，c a d a s t r a ls p a t i a lf e a t u r e ，t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p ， r e b u i l d i n g ，l i n eb r e a k i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名e t 期：年一月一日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了有关地籍及地籍变更的基本概念，以及地籍变更的基本任务 与主要特点，并指出地籍空间要素变更的难点，以及其中存在的关键技术，在此 基础上分析了地籍空间要素自动重构的主要问题及国内外研究现状，提出了本文 的研究思路，最后说明了本文的研究内容与结构安排。 1 1 地籍 1 1 1 地籍的定义 地籍的定义一直有很多说法，词海中称地籍为“中国历代政府登记土地 作为征收田赋根据的册籍 。2 0 世纪9 0 年代初的地籍管理专家认为“地籍是 记载土地的位置、界址、数量、质量、权属和用途( 地类) 等基本状况的籍册”， “地籍最简要的说法是土地登记册”。典型的说法有“记载辖区内每一地块的权 属、权利人、界址、位置、用途、数量和质量等基本状况的籍册”，从信息学的 角度来说，地籍可定义为“为管理土地而系统收集的辖区内所有地块的信息 位1 。 地籍是人们认识和使用土地的自然和社会经济属性的产物，是维护土地安全 使用、保障土地所有者和使用者权益、维持正常的社会生产秩序的方法。在许多 国家地籍管理都是国家的行政职能之一。综观国内外，地籍具有两项必不可少的 基本内容：1 ) 表达每个基本土地单元( 宗地或地块) 的位置和边界( 界址) 的平 面图( 地籍图) ，2 ) 相关的权威文档记录( 如土地所有者、使用者、用途、面 积、等级、税收等) 林增杰等，2 0 0 1 ；b o g a e r t s z e v e n b e r g e n ，2 0 0 1 ：m a r i a e r i k ，2 0 0 2 ；k i r i l y e r a c h ，2 0 0 2 。 总之，地籍的核心是权属。地籍是记载土地权属界址线、界址拐点位置、土 地权属及其变更等基本依据的图簿册，是调处土地争执、恢复界址、确认地权的 法律依据；是维护土地安全使用，保护土地所有者和土地使用者合法权益的基础， 法律性是地籍的根本特性。 1 1 2 地籍的发展 地籍具有悠久的历史，最早地籍记录可以追溯到公元前数千年。最初，地籍 是为封建统治阶级征收土地税费服务的，随着社会的发展和技术的进步，地籍的 地位和作用进一步加强，资本主义时期，土地交易日益频繁，地籍成了土地交易 的法律凭据，地籍有了产权保护功能。进入信息时代，由于计算机信息技术的迅 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 猛发展以及航测，遥感和g p s 等测绘新技术的应用，地籍内容、地籍管理的手段 和方法以及地籍的应用等都发生了深刻的变化，传统的税收地籍，产权地籍正朝 着现代多用途地籍方向发展。2 0 世纪下半叶，发达国家( 如法国等欧洲国家) 利 用计算机信息技术建立了地籍信息系统，开启了地籍新时代，地籍的整理更有效 率，地籍的应用更加广泛。9 0 年代起，西方国家根据信息网络时代地籍管理的 新特点，掀起了一场关于提高地籍服务水平核销率的地籍改革高潮，把地籍系统 建设与l i s ，g i s 及国家地理信息基础建设结合起来，为新时期地籍的发展指明 了方向眨1 0 1 。 我国的地籍有着悠久的历史，经历了税收地籍( 公元前两干多年的夏禹时 期民国初期) ；产权地籍( 民国初期 - 1 9 5 7 年) 的发展过程；1 9 5 8 年一1 9 7 8 年期间，由于我国土地社会主义公有制已经形成、地权问题已经解决，土地为无 偿使用制度，地籍工作曾经一度中断。改革开放以来，随着我国社会主义市场经 济迅速发展，土地问题的严重性日益突出，地籍工作又受到高度重视。2 0 世纪 8 0 年代初，随着土地使用税的出台，房地产市场迅速发展，迫切需要地籍资料， 为此国家测绘局恢复地籍测绘工作，1 9 8 6 年国家土地管理局成立，我国又开始 重新建立新的地籍系统。目前我国已经形成了包括城镇地籍调查规程、地 籍测绘规范、土地登记规则、土地利用现状调查技术规程、城镇土 地定级规程等在内的一套地籍管理制度。并且明确规定了我国地籍的性质是多 用途不动产地籍，目的是获取和表述不动产( 包括土地和建筑物) 的权属、位置、 形状、数量等有关信息，为不动产产权管理、税收、规划、市政、环保、统计等 提供官方基础资料并作为各种与土地有关信息的空间定位系统 王宝祥，1 9 9 5 ： 林增杰等，2 0 0 1 ；詹长根，2 0 0 1 。 1 1 3 地籍的内容 地籍的内容包括地籍数据集、地籍图形集、地籍簿册三部分组成，这三部分 信息又通过宗地号有机联系起来b 1 。 1 、地籍数据集 地籍数据集主要是用数字形式描述土地及其附着物的位置，数量、质量等要 素，如面积册、界址点坐标册、房屋数据等。 2 、地籍图形集 地籍图形集主要是用图形的形式来表达地籍信息，包括分幅地籍医地籍总 图、各种专题地籍图、宗地图等。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 、地籍簿册 地籍簿册主要是用表册的形式对土地及其附着物位置、法律状态价值大小等 基本状况进行文字描述，如地籍调查表，各种相关文件等。 1 1 4 地籍的功能 建立地籍目的，一般应由国家根据生产和建设的发展需要，以及技术发展的 水平来确定。目前，我国的地籍，从以课税为目的，扩大为产权登记，并进入土 地利用规划等使用多用途地籍，为政府制定土地发展利用计划，经济发展目标， 土地管理政策，环保政策，土地使用制等宏观决策，提供基础资料和科学依据。 地籍具体功能如下叭5 1 ： 1 、地理性功能 地籍所包含的地籍图集和相关的几何数据，不但精确地表达了一块地( 包括 附着物) 的空间位置，而且还精确而完整地表达了所有宗地之间，在空间的相互 关系，地籍所具有能提供宗地空间关系的能力，称为地理性功能，其实现地籍多 用途的重要原因之一。 2 、经济功能 利用地籍提供的土地及附着物的位置、面积、用途、等级和土地所有权、使 用权状况，结合国家和地方有关法律、法规，为以土地及其附着物为标的物的经 济活动( 如土地的有偿出让、转让、土地和房地产税费的征收、防止房地产市场 的投机等) 提供准确、可靠的基础资料。 3 、产权保护功能 地籍能为在土地及其附着物为标的物的产权活动( 如调处土地争执、恢复界 址、确认地权、房地产认购买卖、租赁及其它形式转让，解决房地产争端和处理 房地产交易过程出现问题等中提供法律性的证明材料，保护土地所有者和土地 使用者的合法权利，避免土地产权纠纷。 4 、土地利用规划功能 为各类土地规划活动( 包括土地利用总体规划、村镇规划、城市规划等) 提供 基础资料，加快规划设计速度，降低费用，使规划更加科学，切合实际，容易实 现。另外，它还能鉴别错误规划，避免投资失误。 5 、决策功能 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 地籍所提供多要素、多层次、多时态的土地资源的自然状况和社会经济状况， 是国家编制国民经济计划，制定各项土地政策、土地使用制度改革等方面决策， 也包括对经济发展、环境保护、人类生存等方面决策的基本依据，是组织农业生 产和进行多项建设的基础。 6 、社会管理功能 地籍所提供有关土地类型、数量、质量和权属等基本资料，是调整土地关系， 合理组织土地利用的基本依据，也是公安、消防、邮政等提供资料服务或决策服 务。 1 2 地籍变更 1 2 1 空间数据更新 在6 i s 发展的初期，由于其主要是靠“应用驱动”和“技术导引”，人们的 研究方向主要集中在时空数据的存储与管理上，对数据更新等问题的关注较少。 近几年来，随着许多国家空间数据库建设的逐步完成，人们逐渐认识到“空间信 息更新将取代空间数据获取而成为g i s 建设的瓶颈 u n i t e m a r k ，1 9 9 8 ，“当 前6 i s 的核心已从数据生产转为数据更新，数据更新关系着g i s 的可持续发展” f r it s c h ，1 9 9 9 。 1 2 2 地籍变更及任务 地籍变更属于空间数据更新，是指在数字环境下，针对土地数量、质量、权 属及其分布、利用、使用等的变化情况，用反映土地现势状况的地籍信息修正、 补充和更新原数据中的相应数据，以真实地反映地籍信息的现状，保存历史数据、 记录变化原因等，使数据现状与实际现状保持一致的过程。如果说初始地籍数据 像初生的婴儿，需要精心的培养，才能成长，那么地籍变更则是现代地籍的生命 所在，是地籍、地籍管理可持续发展的基本要求。由于一般数据所表达的现状总 是落后于现实现状，因此地籍变更的目的是在最大程度上保持主、用户数据的现 势性【2 l o 地籍变更的基本任务包括：变化信息的及时发现与提取、变化数据的及时变 更处理、保存历史数据和维护数据质量等。 1 2 3 地籍变更特点 地籍具有法律性、精确性、连续性和现势性等特点，其中法律性是地籍的基 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 本特性，地籍的法律性要求地籍图簿册等资料具有可靠性、连续性和现势性等。 即要求地籍图上的界址点、界址线和宗地具有精确的位置、地籍簿上的权属记载 及面积等准确无误，对变更内容及时修正和更新，使地籍图册等资料始终保持在 同时性的水平上，并保证各种簿册及图册之间互相关联、构成承上启下、连续的 完整体系。从而为每一宗地的权属、位置及其来龙去脉等提供准确无误的法律依 据，并能对地籍信息的历史状态及演变过程进行恢复、跟踪等 林增杰等，2 0 0 1 1 。 由此可见地籍变更具有如下几个方面的技术特点担】： 1 、变更模式为增量式变更：地籍变更是通过日常地籍变更登记制度来保证 的，日常地籍是以初始地籍为基础，针对土地数量、质量、权属及其分布和利用、 使用等变化，进行修正、补充和更新，以实现“随时变更、随时调查、随时登记” 的制度。每次变更后调查和修订的地籍目标只包括变化宗地及其受影响的周边宗 地，是增量式( 或“c h a n g e o n l y ”) 的变更登记制度，因此地籍变更是增量式 变更。 2 、数据组织宜采用增量( 时态) 方式：在许多城市地籍变更几乎每天发生， 且一般一次变更只涉及到一、两个地块或一个地块中的几栋建( 构) 筑物 c o o p e r p e l e d ，2 0 0 0 ；e f f e n b e r g w il 1i a m s o n ，1 9 9 6 。由于地籍数据不仅要求记录 每一地块的权属、位置等空间和语义信息而且还要记录其存在及变化的时间等信 息，并且要求做到随时变更、随时更新，最大限度的保持地籍数据的现势性。显 然每次变化后都保存前一时刻历史数据的快照是不合适的，而时空数据增量式数 据组织方式，即每次变化后只将变化目标的历史数据存档，为变化后的数据创建 新的版本或添加新的对象，没有发生变化的目标在数据库中保持不变，是地籍时 态数据组织的理想模式。 3 、地块拓扑关系是其数据组织、更新与维护的基础：地块是地籍信息系统 的基本单元，地块由界址线所边界，界址线由界址点来定位。地块在理论上具有 “铺盖”特征，同时性界址点、界址线、地块之间彼此牵制，存在多种拓扑一致 性约束条件，如a ) 地块多边形中不存在悬挂界址线、孤立界址线和孤立界址点； b ) 相邻地块间不允许存在交叉；c ) 相邻地块间不允许存在缝隙 l a u r i n i t h o p s o n ，1 9 9 2 ；侯守荣，2 0 0 0 。地籍信息系统的数据组织、更新与维护都必须 满足上述要求。特别是数据更新处理过程中的拓扑关系维护已成为一个国际前沿 的难点和热点问题，为控制空间数据库质量，在更新过程中需要引入拓扑关系主 动维护功能，早期的地理信息系统由于缺少拓扑关系维护功能难以扩展为时态系 统，并导致大量的重复、反复劳动 w o o d s f o r d ，2 0 0 4 。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在地籍变更中，一个地块的变动必将引起周边地块的连续互动，甚至一个界 址点的插入、删除和移动，都可能牵动多个地块的界址线、空间形状和面积甚至 是拓扑关系的改变。因而导致了地籍更新编辑目标多、工作量大、而且容易由于 操作人员的知识水平、操作态度和疲劳等问题而产生遗漏、错误，导致地籍空间 数据库因存在大量错误而难以使用等问题 o o s t e r o m ，1 9 9 7 ；c o o p e r ，e ta l ， 2 0 0 0 ；c o o p e r ，e ta l ，2 0 0 1 ；杜海平等，1 9 9 9 ；罗德安等，2 0 0 0 。 4 、地籍图形变更包括五种基本类型：地籍变更总体上可分为两大类型：一 类是地块属性发生变化，而地块几何特征并未变化，如过户登记等；另一类是地 块图形变更伴随着属性变化。地块图形变更是由于人类的土地划拨和用地调整行 为而引起的，土地划拨和用地调整都是以地块为基本单元，以改变地块的数量、 大小和形状及其相互关系为目的的。人们自然地( 或习惯地) 按照变更前后涉及 地块数量的不同，将地块图形变更分为如图1 - 1 所示的五种基本类型：a ) 地块 合并，一般指将两个地块合并为一个地块( 2 一1 ) ，如图1 - 1 ( a ) ，地块a 、b 合并为地块c ；b ) 地块分割，一般指将一个地块分割为两个地块( 1 - - - 2 ) ，如 图1 - 1 ( b ) ，地块a 分割为地块b 和c ；c ) 公共边界调整，一般指两个地块间 公共边界调整，调整前、后均为两个地块( 2 2 ) ，如图1 - 1 ( c ) ，地块a 、b 经公共边界调整后变为地块a7 、b7 ：d ) 结点移动，是指对结点进行调整，如 图卜1 ( d ) ；e ) 复合分并一般指由m 个地块变为n 个地块的组合分并( m n ) ， 如图1 - 1 ( e ) 。其中，地块合并、地块分割和公共边界调整都只关系到一、两 个地块，本文将其称之为地籍图形简单变更类型( 简称为简单变更类型) ，而将 复合分并称之为地籍图形复杂变更类型，其中简单变更类型在日常地籍变更中占 主导地位，往往超过5 0 e f f e n b e r g w i l l i a m s o n ，1 9 9 6 。本文针对地籍变 更中可能存在宗地添加和删除，增加对这类变更操作的讨论。 一口衄啤圆 图i - i 地籍图形变更的基本类型 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 地籍空间要素重构 地籍空间要素重构是针对地籍图形变更提出的，主要处理地籍空间要素，根 据图形变化类型和增量变化信息，自动构建出变化前后的地籍空间要素，并计算 出相应的归档要素和增量要素，以及判断地籍变化类型，达到建立时空数据库的 要求。 1 3 1 地籍空间要素 根据城镇地籍数据库标准口1 ，地籍空间数据共分3 6 层，其中包括宗地、 界址线和界址点等三种基本地籍要素层。在表达内容上，基本地籍要素是地籍图 与地形图的主要差异。 地籍变更操作对象是地籍空间要素( 图1 - 2 ) ，主要包括：宗地、界址线和 界址点。 宗地：地籍的最小权利单元，以权属界线组成的封闭地块，可以多重嵌套 岛与空洞，对地籍子空间具有铺盖特性。准确记录地块所在的地理位置、权利人 信息、宗地编号、用途、审批登记信息、面积等等。 界址线：相邻宗地之间的公共边，描述相邻宗地的关系、界址指界人、界线 性质、界址边长等等。 界址点：记录宗地边界的每一个特征点的信息，包括界址点号、界标类型、 界址点类型、x 和y 坐标值。 图卜2 地籍空间要素示意图 1 3 2 地籍空间要素之间拓扑关系 地籍空间要素之间的拓扑关系：反映空间目标的逻辑结构，是空间查询、分 析，判断数据质量的重要依据，在地籍空间要素重构有重要作用。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 地籍空间要素之间具有一定的拓扑关系哺1 ，1 ) 宗地与宗地之间的拓扑关系 只包括相离、相遇。对所围成的地籍子区完全铺盖，因此宗地间不存在重叠和裂 缝。2 ) 界址线与界址线之间的端点相接，端点( 结点) 的结点度大于2 ( 环形界址 线的结点度为2 、界址线内部拐点的结点度为2 ) 。界址线之间不相交，不重合， 无悬挂。3 ) 界址点与界址点不重叠。4 ) 三者之间：界址点在界址线上，界址线 在宗地边上。如图卜3 ，地籍空间要素之间的拓扑关系。 结点界址点( n o d e ) 拐点界址点( s h a p ep o i n t ) 界址线( b o u n d a r yl i n e ) 宗地( c a d a s t r a dp a r c e l ) 图1 - 3 地籍空间要素穸- - n 的拓扑关系 1 3 3 地籍空间要素构建及难点 地籍空间要素构建是指地籍空间基本要素：界址点、界址线和宗地的构建， 由于三者之间具有相互依赖的拓扑关系，这些对象之间的构建具有同时性，其中 任何一类对象发生了变更，必须同时对其他相关要素对象进行处理，以保证地籍 空间要素之间拓扑关系的正确，确保地籍数据质量，如图卜4 ，结点移动，导致 相关要素重构。 图1 - 4 结点移动 对结点v 1 更新，更新后为v l ； 同时要对界址线l 4 、l 5 和l 6 更新 为l 4 、l 5 和l 6 ； 同时还要对宗地p 1 、p 2 和p 2 更新 为p 1 、p 2 和p 3 。 在地籍空间要素构建的过程中，其难点在于维护空间要素拓扑关系的一致 性，因而很容易出现不正确的拓扑关系，如悬挂界址线、悬挂界址点、宗地重叠 等等不一致拓扑关系。在地籍变更中，如果依赖人工操作地籍变更，很难维护地 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 籍之间的拓扑关系，如何实现地籍空间要素的自动构建，成了本文的研究方向。 1 4 论文工作 论文的主要研究是地籍空间要素自动构建，实现地籍变更的拓扑关系自动重 构，减少人工操作，提高工作效率，确保拓扑关系的一致性。 1 4 1 研究现状 经济稳定增长，城市不断扩张和改造，日常土地变化加快，地籍变更作为记 录土地变化的方式，维护土地使用者的权益起着重要的作用。 地籍空间要素作为地籍的基本组成部分，包括宗地、界址线和界址点，记录 着土地空间位置信息，准确描述土地之间的相互关系。土地的空间变化，必然导 致记录土地的地籍空间要素的变化，要准确记录变化后的土地情况，也要无误地 重新构建地籍空间要素。 构建地籍空间要素涉及到要素间的拓扑关系，人工操作不仅费时又易出错， 为此，本文对地籍空间要素自动重构作了研究。 国内g i s 公司开发的通用地籍管理系统，如：南方c a s s 地籍管理系统，中 地公司m a p g i s 地籍管理系统等，这些系统对地籍更新都部分依赖人工编辑，没 有地籍空间要素的自动化构建及进行拓扑关系检查，部分系统的数据管理使用文 件方式，没有使用大型数据库管理，实现对数据的历史查询。 对地籍空间要素变更方式来看，宗地，界址线，界址点独立和分步更新，无 法保证相互之间拓扑关系的正确，这都需要人工操作和检查来保证拓扑关系一致 性。目前地籍变更中都这种讨论，地籍的变更类型，很少涉及对界址点、界址线 和宗地进行同步更新构建。 因此，宗地、界址线和界址点之间的自动化构建是本文研究的重点。 实现地籍更新的自动化，提高更新速度；实现地籍空间要素之间的拓扑关系 自动重构，减少人工操作，提高了更新的效率；保证地籍空间数据的准确性、一 致性、增量性、现势性、客观性等；地籍空间要素自动重构使得空间对象及其拓 扑关系的自动重构，构建操作的自动触发，周边对象的自动提取，拓扑关系一致 性的自动检查与维护，保证地籍数据的基本特性。 1 4 2 章节安排 在总结了地籍及地籍变更的基础上，再分析了地籍空间要素自动重构，总结 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 出本文研究的主要研究工作如下： l 、拓扑关系判断。地籍空间要素之间具有严格的拓扑关系，地籍变更在一 定上也是拓扑关系的变更，要实现地籍变更后拓扑一致性，必须判断任意要素间 的基本拓扑关系，如：相邻、相离、重叠、相等和包含等等。 2 、要素拓扑构建。要素拓扑构建包括：界址线打断构建和多边形拓扑构建。 分析了已有方法的基础上，结合地籍知识，实现对晃址线打断构建和多边形拓扑 构建。 3 、图形操作实现。结合拓扑关系判断、界址线打断构建和多边形拓扑构建 等知识，实现了常见的空间操作，如：合并、分割、相减等等图形操作。 4 、结构变化类型推断。针对宗地合并、分割和边界调整等宗地操作类型， 可能存在的结构变化类型，分析变化前后的拓扑关系，以及宗地类型，对结构变 化类型进行推断。 5 、空间要素重构。针对宗地操作类型、变化数据和结构变化类型，设计每 一种操作类型构建方法，局部构建变更后的界址点、界址线和宗地，推导宗地的 变化类型，实现地籍空间要素重构的自动化或半自动化。 6 、程序编程实现。使用v i s u a lc + + 开发工具，运用面向对象的方法和地信 息系统专业知识，底层开发地籍空间要素自动重构系统，验证地籍空间要素自动 重构的合理性与可行性。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章拓扑关系判断算法 第二章拓扑关系判断算法 本章讨论地籍要素之间的拓扑关系判断方法，使该方法能应用于空间查询和 空间操作。针对目前拓扑关系的研究工作主要集中在概念描述方面，现有文献中 很少涉及到具体判断算法，本文发展了一套矢量数据模型中拓扑关系判断算法， 实现了o r a c l e 中定义的1 1 种基本拓扑关系的判断。首先介绍地籍空间要素间的 拓扑关系，然后依据拓扑关系的特点，阐述利用线段与线段和线段与面的拓扑关 系，推算空间要素间的拓扑关系，其中包括复合宗地，实现拓扑关系的判定。 2 1 拓扑关系定义 拓扑性质( t o p o l o g i c a lp r o p e r t y ) 是指在拓扑变换下保留不变的性质。根 据这种性质来描述两个目标之间的关系，叫拓扑关系( t o p o l o g i c a lr e l a t i o n ) ， 如：相邻、包含、相交、部分覆盖和相离等等，研究领域涉及到人工智能 ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 、c a d c a m 系统( c a d c a ms y s t e m s ) 、科学认知 ( c o g n i t i v es c i e n c e ) 、语言学( l i n g u i s t i c s ) 、机器人技术( r o b o t i c s ) 和 空间推理( s p a t i a lr e a s o n i n g ) 等等呻1 。在空间关系中，拓扑性质是一个研究 热点。目前，空间拓扑关系的描述方法主要有e g e n h o f e r 等人根据点集拓扑理论 建立的四元组模型( 4 一i n t e r s e c t i o nm o d e l ) 、九元组模型( 9 一i n t e r s e c t i o n m o d e l ) 等基本方法，陈军、李成名等提出的基于v o r o n o i 图的v 9 i 模型等改进方 法，孙玉国等提出的2 dt - s t r i n g 的方法，郭庆胜提出的基于空间关系组合的比 特表的方法等等_ 引。 在g i s 中，拓扑关系是以点、线、面间的为描述对象，连接关系为中心。深 入理解目标间的拓扑关系，可以大大提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效 率。实体问拓扑关系的相邻性、连接性、闭合性、包含性和一致性等，是地理空 间数据处理的依据。 2 2 拓扑关系类型 2 2 1 拓扑关系类型 本文是关于地籍要素重构要素自动重构，对于要素间拓扑关系的判定，不需 要进行详细的判断，只要进行一些基本拓扑关系判定方法，这些拓扑关系包括： 相离、相接、包含( 被包含) 、覆盖( 被覆盖) 和重叠等等引。为了介绍这些拓 扑关系，引入点集拓扑学，把对象a 的拓扑空间分为边界( 8 , 4 ) 、内部( a 。) 中南大学硕士学位论文第二章拓扑关系判断算法 和# t - n ( a 一) 等三部分点集，如图2 - 1 ，对象彳= 翩+ 彳。结合拓扑空间的定义， 对于点、线、面目标给出以下定义： 图2 - 1 简单线的边界，内部和外部 - p 是吼2 中的一个点，则其边界a p = p ，内部少：； - l 是贸2 中不自交的封闭或有两个端点的折线，三为封闭时，其边界砚为 l ，内部l o ：，否则，其边界钇为三的两个端点，内部p ：三一砚， 即三中除端点以外的部分； 一 a 是倪2 中不含孔的连通区域，则其边界刎是包围彳的维封闭线，内 部a o = 彳刎，即为彳的除边界部分；当彳是吼2 中含空洞k 的复连通区 域，则其边界翩是包围a 的一维封闭线和包围空洞的内边界，内部为 a o = a 刎k 。 根据点、线和面的拓扑空间，下面对基本拓扑关系进行详细描述1 1 9 1 ： 一 相离( d i s j o i n t ) ：两目标的边界和内部都不相交。 相邻( t o u c h ) ：两目标的边界相交，但内部不相交； 相交( i n t e r s e c t ) ：两目标内部相交，边界不相交。 - 重叠( o v e r l a p ) ：两目标的边界和内部部分相交，并且相交部分为目标 的子集。 _ 相等( e q u a l ) ：两目标具有相同的边界和内部。 _ 包含( c o n t a i n s ) ：目标的边界和内部都完全包含在另一目标的内部。 覆盖( c o v e r s ) ：目标的内部完全包含在另一个目标的内部和边界里。 被包含( i n s i d e ) ：相对于包含。a 被包含于b 意味着b 包含a 。 _ 被覆盖( c o v e l 冱d b y ) ：相对于c o v e r s 。 位于( o n ) ：目标的内部和边界都在另一目标的边界上。如：一条线在 1 2 中南大学硕士学位论文第二章拓扑关系判断算法 多边形的边界上。 _任意相交( a n y i n t e r s e c t ) ：两目标不相离，目标之间有相交不为空。 上面的目标之间可以是点点、点线、点面、线线、线面、面面。为了 对地籍要素间拓扑关系描述，可以认为界址点为点目标，界址线为线目标，宗地 为面目标，进行处理。本文设计每种拓扑关系对应的枚举变量，如图2 2 。 e r i u mt p r e l a t e c 0 n s t a n t s t p u n k n o w = 0 x0 0 0 0 0 日o o l ， t p d i s j o i n t = 日x 0 0 0 0 0 0 0 1 l ， t p t o u c h = o x ! ) 0 0 0 1 ，0 0 2 l 。 t p o v e r l a p = 0 x0 0 0 0 日日0 4 l t p e q u a z = 0 x0 0 0 0 0 0 0 8 l ， t p c o n t a i n s = o x 日0 0 0 0 0 1o l 。 t p c o u e r s = o x 0 0 0 0 0 0 2 0 1 _ t p in s i d e = o x0 0 0 日0 0 4 0 l 。 t p c o v e r e d b u = i x0 0 0 0 0 0 8o l ， t p o n = o x0 0 0 0 0 1i ) 1 ) l 。 t p in t e r s e e t = o x0 0 0 0 0 20 0 l ； 2 3 地籍要素拓扑关系 图2 - 2 拓扑关系枚举变量 界址点、界址线和宗地是地籍空间数据库的基本组成部分，也是区别于一般 地形图的显著特点。在地籍系统中，宗地由界址线所定界，界址线由界址点来定 位，因此，它们相互之间有着特殊的拓扑关系。在不考虑时间的情况下，界址点、 界址线、地块间的二元空间拓扑关系具有如下特征乜1 ： 1 、地块地块间只存在相离和相邻 由于地块具有“铺盖”特征，满足剖分要求，相邻地块间一般不存在缝隙， 又为了避免法律纠纷，相邻地块间往往不允许存在交叉啪1 。因此地块地块间不 存在内部有交叉的包含( i n ) 、覆盖( c o v e r ) 、部分重叠( o v e r l a p ) 和相等( e q u m ) 等目标的内部相交关系，只存在相离、相邻两种可能关系。 2 、界址线地块间只包括相离、相接、覆盖 界址线相当于平面图中的一条链，结点之间的连线，因此界址线地块关系 类似于平面图中的链多边形关系，不存在界址线完全位于地块内部( i n ) ，称为 孤立界址线、悬挂界址线、穿越界址线、延长界址线等情况。因此界址线地块 中南大学硕士学位论文第二章拓扑关系判断算法 间一般只包括界址线与地块相离、界址线端点为地块的边界点、地块覆盖( c o v e r ) 整条界址线，即整条界址线为地块的边界三种可能关系。 3 、界址线界址线只存在相离和相邻 界址线( 界址线弧段) 相当于平面图中的一条链，因此界址线界址线间一 般只存在端点相接与相离两种拓扑关系类型，界址线群之间不能互相交，相互之 间只可能在结点处相邻。 4 、界址点地块只存在相离和相遇两种空间拓扑关系 界址点、地块间不存在界址点位于地块内部的悬挂界址点和孤立界址点等情 况，只存在相离和界址点位于地块边界上两种可能的情况。另外界址点界址点 之间只存在相等和相离两种可能的情况，界址点界址线间只存在相离和界址点 为界址线的拐点( 或结点) 两种可能的情况。 界址点、界址线、地块间的这些空间拓扑关系特征是地籍空间数据质量检查 与维护的最可靠的基础心，也是地籍数据更新处理必须遵循的准则。因此，正确 判定和处理地籍要素间的拓扑关系，具有重要的意义。 2 4 地籍要素间拓扑关系判定 在地籍中，拓扑关系对于空间处理、查询、分析和更新等具有重要的意义。 如何应用拓扑关系，如何设计相关的算法，准确、快捷地判定两要素之间的拓扑 关系，达到所要判定的详细程度，必须判定地籍要素间的拓扑关系。 现阶段，学者们都注重在目标间的拓扑关系的描述和分类，如：四元组模型 ( 4 - i n t e r s e c t i o nm o d e l ) 、九元组模型( 9 一i n t e r s e c